數(shù)電課件第二章

1、12.1；2.22.3；2.4；2.5；2.6；2.10；2.142.16；2.17；2.18；2.19；2.21；2.2322.1 分立元件門(mén)電路 2.2 TTL門(mén)電路2.3 CMOS門(mén)電路2.4 TTL電路與CMOS電路的接口3實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的電路稱為門(mén)電路常用的門(mén)電路有與非門(mén)、或非門(mén)、與或非門(mén)、異或門(mén)、同或門(mén)等在門(mén)電路中的二極管和三極管經(jīng)常工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)4 在電子線路中，用高低電平表示二值邏輯的0和1兩種邏輯狀態(tài)。 當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)后，輸出電壓Vo為高電平，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合后，輸出為低電平 開(kāi)關(guān)S是用半導(dǎo)體二極管或者三極管構(gòu)成，可以通過(guò)輸入信號(hào)來(lái)控制輸出信號(hào)的電平5 如果以輸出高

2、電平表示邏輯1，以低電平表示邏輯0，則這種表示方法稱為正邏輯，反之，稱為負(fù)邏輯 只要能夠分出高低電平就可以知道表示的邏輯狀態(tài)，因此，高低電平都有一個(gè)允許的范圍 數(shù)字電路對(duì)元器件的精度以及電源的穩(wěn)定度要求都要比模擬電路低6 同一個(gè)邏輯電路，在不同的邏輯假定下，其邏輯功能是不同的 A B F VL VL VL VH VH VL VH VH VL VL VL VH （a）電平關(guān)系 A B F 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 （b）正邏輯 與 A B F 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 （c）負(fù)邏輯 或7半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性 分立元件門(mén)電路8v 半導(dǎo)體二極管的

3、開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性二極管開(kāi)關(guān)電路二極管伏安特性) 1(/TVvSeIiIS：反向飽和電流，與材料、工藝、幾何尺寸有關(guān)，定值；VT：常溫下， 26mV9二極管伏安特性的近似方法VCC、RL較小VCC較小，RL大VCC、RL大10 當(dāng)外加電壓突然由負(fù)變正時(shí)，到PN節(jié)內(nèi)部建立起足夠的電荷梯度的時(shí)候才可形成擴(kuò)散電流 當(dāng)外加電壓突然由正變負(fù)的時(shí)候，由于PN節(jié)內(nèi)有一定的存儲(chǔ)電荷，所以有較大的瞬態(tài)反向電流流過(guò)二極管動(dòng)態(tài)特性11v 半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性 雙極型三極管開(kāi)關(guān)特性雙極型三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型12雙極型三極管輸入輸出特性輸入特性 三極管的輸入特性近似為指數(shù)曲線 通常用折線近似

4、 硅管VON：0.7V 鍺管VON：0.3V13輸出特性輸出特性曲線可分為三個(gè)區(qū)域：放大區(qū)，飽和區(qū)，截止區(qū) 在放大區(qū)iC隨iB的變化成正比變化，幾乎不受vCE的影響 在飽和區(qū)，iC不隨iB成正比變化,而趨向飽和，硅三極管的飽和vCE =0.6v，在深度飽和下，vCE在0.3v以下 在iB =0以下為截止區(qū)，在截止區(qū)iC幾乎等于零14雙極型三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)15雙極型三極管開(kāi)關(guān)電路等效：截止 飽和導(dǎo)通16雙極型三極管動(dòng)態(tài)特性PN結(jié)上電荷的建立和消散有一個(gè)過(guò)程輸出落后于輸入限制了三極管的工作速度17MOS管開(kāi)關(guān)特性MOS管結(jié)構(gòu)符號(hào)N溝道增強(qiáng)型 在P型半導(dǎo)體襯底上制作2個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)，形成MO

5、S管的源極和漏極，第三個(gè)電極為柵極18在漏極和源極加電壓VDS，如果柵極和源極之間的電壓VGS=0，由于源極漏極之間相當(dāng)于兩個(gè)PN節(jié)背向相連，電阻很大，所以DS不導(dǎo)通，iD=0當(dāng)VGS大于某個(gè)電壓值VGS（th）時(shí)，電子被吸引到柵極下面的襯底表面，形成了N型反型層，構(gòu)成了DS之間的導(dǎo)電溝道，當(dāng)外加電壓時(shí)，DS間將有電流形成VGS（th）稱為開(kāi)啟電壓為防止漏極電流直接流入襯底，常將襯底與源極相連19MOS管輸入輸出特性輸出特性 共源連接，輸入端柵極無(wú)電流漏極的工作特性可分為三個(gè)區(qū)域：vGS VGS (th)時(shí)，漏極特性可分為兩個(gè)區(qū)域，在虛線左稱為 可變電阻區(qū)，當(dāng)vGS一定時(shí)iD與vDS之比為常數(shù)

6、；虛線右側(cè)的部分為恒流區(qū)，iD的大小基本上由vGS決定，vDS對(duì)電流的影響很小轉(zhuǎn)移特性20MOS管開(kāi)關(guān)特性等效：截止 導(dǎo)通1K21MOS管的四種類型N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型P溝道耗盡型22分立元件門(mén)電路 二極管與門(mén)電路 輸入 VA（V） VB（V） 輸出 VY（V） 0 0 3 3 0 3 0 3 0.7 0.7 3.7 0.7 23 二極管或門(mén)電路 輸入 VA（V） VB（V） 輸出 VY（V） 0 0 3 3 0 3 0 3 0 2.3 2.32.324 三極管非門(mén)電路 輸入 VA（V） 輸出 VY（V） 0 5 5 0 25 DTL與非門(mén)電路 0V 5V +V +V F 5V

7、 D D D D 3k +5V R CC 2 1 1 CC R 2 +5V 0.7V 1.4V 3k 二極管與門(mén)和或門(mén)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不實(shí)用,如電平偏移 26ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3k1k4.7kF 三輸入端的二極管與門(mén)和三極管非門(mén)組合而成的與非門(mén)電路 將電阻Rb換成兩個(gè)二極管D4、D5，提高輸入低電平的抗干擾能力，當(dāng)輸入低電平有波動(dòng)時(shí)，保證三極管可靠截止，以輸出高電平增加了R1，當(dāng)三極管從飽和向截止轉(zhuǎn)換時(shí)，給基區(qū)存儲(chǔ)電荷提供一個(gè)瀉放回路 CBAF27TTL反相器的結(jié)構(gòu)與原理TTL反相器的輸入輸出特性TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性其他類型TTL門(mén)電路TTL電路的

8、改進(jìn)系列28 TTL反相器的結(jié)構(gòu)與原理利用T2放大作用，為T(mén)5提供較大的基極電流，加速T5導(dǎo)通T2和電阻R2、R3組成的放大器有兩個(gè)反相的輸出端VC2和VE2，驅(qū)動(dòng)T5、T4組成的推拉式輸出級(jí) T5和T4受兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)Ve2和Vc2的驅(qū)動(dòng)，因此總是一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止推拉式輸出級(jí)D2確保T5飽和導(dǎo)通時(shí)T4可靠截止T1傳遞輸入信號(hào)鉗位二極管D1，消除負(fù)相干擾輸入 29輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平 3.6V1.4V0.7V1V2.1V0.3V倒置飽和截止30輸入為低電平時(shí)，輸出為高電平 0.3V4.3V5V1V3.6V飽和截止導(dǎo)通31截止區(qū) 線性區(qū)，T2導(dǎo)通 過(guò)渡區(qū) 飽和區(qū) 電壓傳輸特性閾值電壓V

9、TH32 抗干擾能力 噪聲容限表示門(mén)電路的抗干擾能力低電平噪聲容限 VNL VIL（max） -VOL（max） 0.8V-0.4V0.4V高電平噪聲容限 VNHVOH（min）- VIH（min） 2.4V-2.0V0.4V 03.62.43.620.800.433TTL反相器的輸入輸出特性 輸入特性-1mA34 輸出特性 高電平輸出特性 受功耗限制，輸出高電平時(shí)，負(fù)載電流一般不可超過(guò)0.4mA35 輸出特性 低電平輸出特性36 輸入低電平電流IIL與輸入高電平電流IIH 輸入低電平電流IIL是指當(dāng)門(mén)電路的輸入端接低電平時(shí)，從門(mén)電路輸入端流出的電流， 一般產(chǎn)品IIL=1mA 輸入高電平電流I

10、IH是指當(dāng)門(mén)電路的輸入端接高電平時(shí)，流入輸入端的電流，一般產(chǎn)品IIH=40uAIIHIIL 帶負(fù)載能力 37灌電流負(fù)載 驅(qū)動(dòng)門(mén)輸出低電平時(shí)，電流從負(fù)載門(mén)的輸入端灌入驅(qū)動(dòng)門(mén)的T5管ILOLOLIIN 輸出低電平時(shí)允許灌入輸出端的電流定義為輸出低電平電流IOL一般產(chǎn)品IOL=16mA 輸出低電平時(shí)所能驅(qū)動(dòng)同類門(mén)的個(gè)數(shù)NOL稱為輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)。IOL38拉電流負(fù)載 驅(qū)動(dòng)門(mén)輸出高電平時(shí)，電流從驅(qū)動(dòng)門(mén)的T4、D拉出而流至負(fù)載門(mén)的輸入端 輸出高電平時(shí)允許拉出輸出端的電流定義為輸出高電平電流IOH，一般產(chǎn)品規(guī)定IOH=0.4mA 輸出高電平時(shí)所能驅(qū)動(dòng)同類門(mén)的個(gè)數(shù) NOH稱為輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù) 。

11、IHOHOHIIN一般NOLNOH，常取兩者中的較小值作為門(mén)電路的扇出系數(shù)，用NO表示。 IOH39 輸入負(fù)載特性 隨著RP增大，VI上升，到1.4V以后將不再上升，此時(shí)相當(dāng)于輸入接高電平，輸出為低電平。 開(kāi)門(mén)電阻 )(11beccPPIVVRRRV1.440G1輸出正確傳輸?shù)紾2的輸入端，對(duì)RP有限制(min)IHPIHOHVRIVvO1=VOH時(shí)，vI2VIH(min)KIVVRIHIHOHP351004. 00 . 24 . 33(min)41(max)11ILOLPPOLBECCVVRRRVVVKRVVVVVRILBECCOLILP69. 01(max)1(max)VOL 690PRv

12、O1=VOL時(shí)，vI2VIL(max)42 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性三極管存儲(chǔ)電荷的注入和消散；PN結(jié)寄生電容和負(fù)載電容的充放電導(dǎo)致門(mén)延遲導(dǎo)通延遲時(shí)間tPHL從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間 截止延遲時(shí)間tPLH從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間 與非門(mén)的傳輸延遲時(shí)間tpd是tPHL和tPLH的平均值 2PHLPLHpdttt一般幾納秒十幾個(gè)納秒 傳輸延遲 43由于三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和分布電容的充放電過(guò)程，輸入信號(hào)必須有足夠的變化幅度和作用時(shí)間，輸出才能夠變化，故交流噪聲容限比較大 交流噪聲容限 44在動(dòng)態(tài)情況下，特別是輸出電壓突然由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)

13、，由于T5原來(lái)工作在深飽和狀態(tài)，所以T4的導(dǎo)通必然先于T5的截止，這樣出現(xiàn)了短時(shí)間的T4，T5同時(shí)導(dǎo)通，有很大的瞬間電流通過(guò)T4和T5，使電源出現(xiàn)尖峰電流。 電源動(dòng)態(tài)尖峰電流 45TTL非門(mén)電路結(jié)構(gòu)和原理TTL門(mén)電路抗干擾能力TTL門(mén)電路電流負(fù)載特性TTL門(mén)電路輸入負(fù)載特性TTL門(mén)電路動(dòng)態(tài)特性46 其他類型TTL門(mén)電路 與非門(mén) 多發(fā)射極三極管ABY 47 或非門(mén) BAY48 與或非門(mén) CDABY49 異或門(mén) BAY50 集電極開(kāi)路門(mén) 51 線與 CDABCDABFFF2152RL的選擇 當(dāng)所有的OC門(mén)都截止時(shí)，輸出VO應(yīng)為高電平，這時(shí)RL不能太大，如果RL太大，則其上壓降太大，輸出高電平就會(huì)太

14、低。因此當(dāng)RL為最大值時(shí)要保證輸出電壓為VOH（min） VCC-VOH（min）=mIIHRL（max） IH)min(OH)maxL(-ImVVRCCm為與非門(mén)輸入端數(shù)53當(dāng)OC門(mén)中至少有一個(gè)導(dǎo)通時(shí)，輸出VO應(yīng)為低電平?？紤]最壞情況，即只有一個(gè)OC門(mén)導(dǎo)通，這時(shí)RL不能太小，如果RL太小，則灌入導(dǎo)通的那個(gè)OC門(mén)的負(fù)載電流超過(guò)IOL（max），就會(huì)使OC門(mén)的T5管脫離飽和，導(dǎo)致輸出低電平上升。當(dāng)RL為最小值時(shí)要保證輸出電壓為VOL（max） IL(min)OL(max)OL(max)ImRVVILCCILOL(max)OL(max)(min)ImIVVRCCLRL（min）RLRL（max）

15、一般，RL選1k左右 m為與非門(mén)數(shù),或非門(mén)輸入端數(shù)54 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 用做驅(qū)動(dòng)器 +10V+5V&OV&27055 三態(tài)輸出門(mén) 當(dāng)EN輸入為低時(shí)，VP為高，D截止，與P端相連的T1的發(fā)射結(jié)也截止。三態(tài)門(mén)相當(dāng)于一個(gè)正常的二輸入端與非門(mén)，稱為正常工作狀態(tài) 當(dāng)EN輸入為高時(shí)，VP=0.3V，這一方面使D導(dǎo)通，VC2=1V，T4、 D 截 止 ； 另 一 方 面 使VB1=1V，T2、T5也截止。這時(shí)從輸出端看進(jìn)去，對(duì)地和對(duì)電源都相當(dāng)于開(kāi)路，呈現(xiàn)高阻。所以稱這種狀態(tài)為高阻態(tài) 56 單雙向總線 57 74系列 又稱標(biāo)準(zhǔn)TTL系列，中速TTL器件，平均傳輸延遲時(shí)間約為10ns，平均功耗約為

16、每門(mén)10mW 74H系列 高速TTL系列，輸出級(jí)采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)；大幅降低電阻。通過(guò)減小電阻縮短電路中電容沖放電時(shí)間，平均傳輸延遲時(shí)間為6ns，功耗約為每門(mén)22mW TTL電路的改進(jìn)系列58 74S系列 肖特基TTL系列，輸出級(jí)采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)；采用抗飽和三極管；采用有源泄放電路；延遲時(shí)間縮短為3ns，功耗較大，約為每門(mén)19mW59 74LS系列 低功耗肖特基系列，輸出級(jí)采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)；采用抗飽和三極管；采用有源泄放電路；輸入端采用肖特基勢(shì)壘二極管來(lái)提高工作速度，通過(guò)加大電阻降低電路的功耗，平均傳輸延遲時(shí)間為9ns，平均功耗約為每門(mén) 2mW602.62.10;2.112.14(d)61CMOS非門(mén)

17、 其他的CMOS門(mén)電路 CMOS邏輯門(mén)電路系列 62 CMOS非門(mén)CMOS邏輯門(mén)由參數(shù)對(duì)稱的增強(qiáng)型N溝道和P溝道MOS管構(gòu)成，通常稱為互補(bǔ)型MOS邏輯電路電源VDD大于兩管開(kāi)啟電壓絕對(duì)值之和，即VDD（VTN+|VTP|），VTN=|VTP|Vi=0V時(shí)，T2截止，T1導(dǎo)通，T2的截止電阻約為500M，T1的導(dǎo)通電阻約為750，所以輸出VOVDD，即VO為高電平Vi=VDD時(shí)，T2導(dǎo)通，T1截止，T2的導(dǎo)通電阻約為750，T1的截止電阻約為500M，所以輸出VO0V，即VO為低電平電路實(shí)現(xiàn)了非邏輯 T1：P溝道增強(qiáng)型MOS管T2：N溝道增強(qiáng)型MOS管63 電壓傳輸特性 設(shè)CMOS非門(mén)的電源電壓

18、VDD=10V，兩管的開(kāi)啟電壓為VTN=|VTP|=2V 當(dāng)Vi2V，T2截止，T1導(dǎo)通，輸出VoVDD=10V當(dāng)8VVi10V， T1截止， T2導(dǎo)通，輸出Vo0V 當(dāng)2VVi8V，T2和T1都導(dǎo)通，由于兩管參數(shù)的對(duì)稱性，當(dāng)Vi=5V，T2的柵源電壓=T1柵源電壓絕對(duì)值，Vo=（VDD/2）=5V 兩管在Vi=VDD/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài)，CMOS門(mén)電路的閾值電壓Vth=VDD/2 64 電流傳輸特性 在AB段，T2截止，內(nèi)阻高，漏極電流幾乎為0在CD段，T1截止，內(nèi)阻高，漏極電流幾乎為0 在BC段，T2和T1都導(dǎo)通，兩管處在轉(zhuǎn)換狀態(tài)，在Vi=VDD/2處，電流最大CMOS門(mén)電路不可長(zhǎng)期工作在BC段

19、 65 輸入特性 輸入端接入保護(hù)電路當(dāng)電壓低于-0.7V時(shí)，D2管導(dǎo)通當(dāng)電壓高于VDD+0.7V時(shí)，D1管導(dǎo)通保護(hù)二極管和電阻的幾何尺寸有限，承受靜電電壓和功率有限存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)不可使用易起靜電的物品包裝，需使用金屬屏蔽膜等組裝、調(diào)試時(shí)工具、儀表和工作臺(tái)良好接地，衣物使用無(wú)靜電材料不用的輸入端不可懸空66 輸出特性 低電平輸出特性 67 高電平輸出特性 68 傳輸延遲 MOS管沒(méi)有載流子的聚散，延遲受內(nèi)部電阻和電容及負(fù)載電容影響MOS管比TTL的輸出電阻大得多，延遲較大69 功耗 靜態(tài)功耗小，可忽略高頻、動(dòng)態(tài)情況會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗70 其他的CMOS門(mén)電路 與非門(mén) 或非門(mén)71帶緩沖級(jí)的與非門(mén) 輸入端

20、數(shù)目增加時(shí)，與非門(mén)串聯(lián)的NMOS管數(shù)目要增加，引起輸出低電平變高或非門(mén)串聯(lián)的PMOS管數(shù)目增加，引起輸出高電平變低解決方法在輸入輸出端分別加入反相器作緩沖級(jí) BABA72帶緩沖級(jí)的或非門(mén) BABA73漏極開(kāi)路與非門(mén) 74CMOS傳輸門(mén)及模擬開(kāi)關(guān) C接高電平VDD，若0VVi（VDD-VTN），T1導(dǎo)通； 若|VTP|ViVDD，T2導(dǎo)通。 Vi在0VVDD變化時(shí)，至少有一管導(dǎo)通，輸出與輸入之間呈低電阻，Vo=Vi，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合 C接低電平0V，Vi在0VVDD的范圍變化時(shí)，T1和T2都截止，輸出呈高阻狀態(tài)，輸入電壓不能傳到輸出端，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi) 75三態(tài)門(mén) EN=0時(shí)，T1和T2同時(shí)導(dǎo)通，T

21、1和T2組成的非門(mén)正常工作EN=1時(shí)，T1和T2同時(shí)截止，輸出對(duì)地和對(duì)電源呈高阻狀態(tài) 76或非門(mén)控制三態(tài)門(mén)與非門(mén)控制三態(tài)門(mén)77用傳輸門(mén)組成的三態(tài)門(mén) 78 CMOS邏輯門(mén)電路系列 基本的CMOS 4000系列 早期的CMOS集成邏輯門(mén)產(chǎn)品工作電源電壓范圍為318V功耗低、噪聲容限大、扇出系數(shù)大速度較低，平均傳輸延遲時(shí)間為幾十ns，最高工作頻率小于5MHz 79 高速的CMOS HC（HCT）系列 制造工藝上作了改進(jìn)，減小電路電容，大大提高工作速度平均傳輸延遲時(shí)間小于10ns，最高工作頻率可達(dá)50MHzHC系列的電源電壓范圍為26VHCT系列的主要特點(diǎn)是與TTL器件電壓兼容電源電壓范圍為4.55.

22、5V器件的邏輯功能、外形尺寸，引腳排列相同80 CMOS邏輯門(mén)電路的主要特點(diǎn) 輸出高電平VOH與輸出低電平VOL VOH的理論值為電源電壓VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理論值為0V，VOL（max）=0.1VDD。抗干擾容限 非門(mén)的關(guān)門(mén)電平VOFF為0.45VDD，開(kāi)門(mén)電平VON為0.55VDD。高、低電平噪聲容限均達(dá)0.35VDD 81功耗 CMOS電路的功耗很小，一般小于每門(mén)1 mW傳輸延遲 傳輸延遲較大，一般為每門(mén)幾十ns，74HC系列的工作速度與TTL系列相當(dāng) 扇出系數(shù) 輸入阻抗極高，故其扇出系數(shù)很大，一般額定扇出系數(shù)可達(dá)50。扇出系數(shù)是指驅(qū)動(dòng)CMOS電路的個(gè)數(shù)，灌電流負(fù)載能力和拉電流負(fù)載能力CMOS遠(yuǎn)低于TTL電路82TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén) CMOS門(mén)驅(qū)動(dòng)TTL門(mén)83 TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)4000系列和74HC系列 TTL門(mén)的IOH（max）和IOL（max）遠(yuǎn)大于CMOS門(mén)的IIH和IIL，TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)時(shí)，主要考慮TTL門(mén)的輸出電平是否滿足CMOS輸入電平的要求 當(dāng)都采用5V電源時(shí)，TTL的VOH（min）為2.4V，而CMOS4000系列和74HC系列電路的VIH（min）為3.5V可在TTL電路的輸出端和電源之間，接